Nomex蜂窝材料直刃尖刀超声切割切削力分析

摘要

Nomex蜂窝夹层结构复合材料具有良好的电气性能和力学特性，包括较低的密度、极强的纵向刚度，良好的阻热绝缘性能，高比强度和比刚度等，广泛应用于航空航天、汽车、武器等工业产品制造中。但同时Nomex蜂窝结构复合材料的面内横向刚度较弱，是一种典型的弱刚度难加工材料。目前广泛采用传统的高速铣削方法加工Nomex蜂窝材料结构件复杂曲面，会出现脱胶、蜂窝壁纸张开裂、纸张切割边缘纤维毛刺、网格结构变形甚至压溃等加工缺陷，影响蜂窝夹层结构件的质量，难以满足实际使用需求。超声振动切割是近年来应用于复合材料切割加工领域的一种新型加工技术。由于其具有加工效率高、材料损害率低、无切屑、无粉尘等优势，可有效避免传统加工方法出现的问题，在国内外航空航天工业制造中得到了广泛的应用。国外部分公司已成功将超声切割技术应用于Nomex蜂窝复杂型面加工，开发了专用装备。近年来国内航空制造企业开始引进超声振动加工设备，部分科研院所也开始研究复合材料的超声切割加工机理和关键技术，但尚未形成系统的超声切割Nomex蜂窝的理论和技术体系，尚未开发出成熟的专用超声切割专用装备。深入研究Nomex蜂窝材料的超声切割加工机理，优化不同规格蜂窝材料的超声切割加工工艺，对提高Nomex蜂窝材料切割加工效率和质量、开发Nomex蜂窝材料超声切割专用设备、推动Nomex蜂窝先进加工技术的进展具有重要意义。
　　本文针对直刃尖刀超声切割的特点，建立了直刃尖刀超声切割Nomex蜂窝复合材料时刀具与工件间的接触模型，研究了超声振动切割Nomex蜂窝的加工机理，分析了超声切割加工工艺。搭建了超声切割加工试验平台，开展了直刃尖刀超声切割Nomex蜂窝的实验研究，验证了理论分析结论。主要内容包括：⑴搭建超声振动切割加工系统，进行振动性能测试试验。⑵基于材料内动态应力变化过程，研究超声振动对Nomex蜂窝的切割加工过程的作用，分析了在超声作用下材料的破坏形式;判断超声振动的作用方向，对各个工艺参数对切割力的影响规律进行了研究。⑶搭建超声振动切割试验平台，开展超声振动切割工艺试验，对超声振动的作用规律进行了理论验证，并对各个加工参数对蜂窝材料切割力的影响规律进行分析，同时对加工后的工件切割质量进行观察。试验结果与理论分析规律一致，使用合理的切割加工参数能够有效降低切割力，提高加工材料的切割表面及结构质量。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 Nomex芳纶纸及芳纶蜂窝材料的应用现状

1．2 Nomex蜂窝复合材料加工技术研究现状

1．2．1 Nomex蜂窝复合材料的高速铣削加工

1．2．2 Nomex蜂窝复合材料加工技术研究进展

1．2．3 超声切割技术优势特点及应用研究现状

1．3 课题来源、研究意义和目的、主要研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究意义和目的

1．3．3 主要研究内容

1．4 本章小结

2 Nomex蜂窝材料超声振动切割加工技术装备及工艺

2．1 超声加工原理

2．2 超声加工系统的组成

2．2．1 超声电源

2．2．2 超声振动单元

2．3 刀具振动性能测试

2．3．1 超声振动系统电路匹配及谐振频率测定

2．3．2 刀具振幅测定

2．4 Nomex蜂窝结构材料超声切割工艺

2．5 本章小结

3 Nomex蜂窝材料超声振动切割过程影响分析

3．1 超声切割过程刀具运动过程及切割力分布分析

3．1．1 刀具刃口切割力分布分析

3．1．2 刀具与材料相对接触及切割力分布

3．2 超声切削蜂窝材料切削区域的应力分析

3．2．1 Nomex蜂窝材料力学性能

3．2．2 超声振动过程对材料应力变化规律的影响

3．3 超声振动及加工工艺参数对切割力影响分析

3．3．1 超声振动振幅对材料破坏应力的影响

3．3．2 切割过程进给速度对材料破坏应力的影响

3．4 本章小结

4 直刃刀具超声振动切割Nomex蜂窝材料试验

4．1 切割试验设备及材料

4．1．1 切割试验台结构

4．1．2 切割试验使用材料及刀具

4．2 切割试验设计

4．2．1 理论验证试验设计

4．2．1 切割工艺试验设计

4．3 超声振动切割理论验证试验

4．3．1 超声振动分量对切割力影响试验

4．3．2 进给速度对切割力影响试验

4．3．3 理论验证试验总结

4．4 超声振动切割工艺试验

4．5 Nomex蜂窝材料切割加工质量观测

4．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢